JP2014098619A - リニアエンコーダ及びワークの加工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高分解能なリニアエンコーダ及びワークの加工方法を提供する。
【解決手段】リニアエンコーダ1は、反射面7を有する目盛部3を有すると共に、この目盛部3に対向して配置される光学ユニット2を備えている。この光学ユニット2は、光源4と、光路分岐素子6と、受光素子8とを備えており、光源4から出射された光は、光路分岐素子6にて少なくとも第1分割光L1と第2分割光L2に分割される。これら第1及び第2分割光L1,L2は、それぞれ目盛部3の反射面7に反射されて元の光路を戻り、重なり合うことによって干渉光ILを形成する。この干渉光ILの干渉強度は、光学ユニット2と目盛部3とが反射面7の形状の変化方向に相対変位すると変化するため、リニアエンコーダ1は、受光素子8によりこの干渉強度変化を計測する。
【選択図】図1

Description

本発明は、物体間の相対変位を計測するリニアエンコーダ及びワークの加工方法に関する。
従来、多軸加工装置等のステージ装置では移動体の位置計測を行うセンサが複数用いられている。センサの代表的なものとして、周期微細形状を持つスケールとセンサヘッドの相対変位を計測する光学式リニアエンコーダが知られている。しかし、スケールとセンサヘッドの位置関係が計測軸方向以外に変化すると計測誤差を生じることや、高分解能化のためにスケールを微細化するとこの計測誤差の影響を受けやすくなる等の問題があった。
そこで、上記高分解能化が困難であるという問題に対して傾きが周期的に変化する目盛部の傾きを計測し、この傾きの変化によって移動体の位置を計測するリニアエンコーダが案出されている(特許文献1参照)。このリニアエンコーダは、目盛部を正弦波形状となるように波状に形成し、オートコリメーション法を用いてこの傾きの変化を計測している。そして、計測した傾きの周期変化に基づいて物体の位置情報を算出している。この方法によると、センサヘッドと目盛部の位置関係が、計測軸以外の他軸成分を生じた場合における計測精度への影響を低減することができる。
特許第2960013号公報
ところで、近年の技術進歩によって、上記特許文献1記載のようなリニアエンコーダは、更なる高分解能化が求められている。特許文献1記載のリニアエンコーダは、目盛となる周期形状の間隔を小さくすると分解能を高めることができるが、目盛間隔を小さくしていくと、光源から目盛に照射されるレーザ光が回折するようになり、反射光が傾き変化を生じなくなるという問題がある。
このため、上記特許文献1記載のような、オートコリメーション法によって、目盛を読み取るリニアエンコーダでは、分解能を向上させようとすると目盛り間隔を細かくすると計測が困難になるという問題があった。また、オートコリメーション法を用いたリニアエンコーダは、レーザ光路上の屈折率分布やセンサヘッド内のコリメーションレンズと受光素子の位置誤差の影響で計測誤差を生じるといった問題もある。
そこで本発明は、高分解能なリニアエンコーダ及びワークの加工方法を提供することを目的とする。
本発明に係るリニアエンコーダは、反射面を有する目盛部と、前記目盛部に対向して配置されると共に、前記目盛部との相対位置を変更可能に構成された光学ユニットとを備え、前記光学ユニットは、光源と、前記光源から出射された光を少なくとも第1分割光と第2分割光とに分割する光路分岐素子と、前記目盛部の反射面により反射された前記第1及び第2分割光が合わさって形成された干渉光の光路上に配設され、前記光学ユニットと前記目盛部との前記反射面の形状の変化方向への相対移動により生じる前記干渉光の干渉強度変化を検出可能な受光素子と、を備えた、ことを特徴とする。
また、本発明に係るワークの加工方法は、工具を保持する工具保持部とワークを保持するワーク保持部との位置関係を、少なくとも1軸方向に相対移動させて前記工具により前記ワークを加工するワークの加工方法において、前記工具を保持する工具保持部及び前記ワークを保持するワーク保持部の一方側に設けられた光学ユニットから他方側に向かって複数の回折光を出射し、前記工具保持部及びワーク保持部の他方側に設けられた目盛部によって一方側に反射された前記回折光が合わさって生じる干渉光の干渉強度変化に基づいて、前記工具及びワークの相対位置変化を計測する計測工程と、前記計測工程における計測結果に基づいて、前記工具保持部及びワーク保持部の相対位置を補正する補正工程と、を備えた、ことを特徴とする。
本発明に係るリニアエンコーダによると、光路分岐素子によって光源からの光を第1分割光と、第2分割光とに分割し、目盛部の反射面に反射された第1及び第2分割光によって形成された干渉光の干渉強度の変化を検出可能に構成されている。このため、反射面の傾き角を変更することによってリニアエンコーダの分解能を向上することができる。また、第1及び第2分割光が同一空間を通過し干渉するため、環境の影響を打消し合い計測精度を向上させることができる。更に、第1及び第2分割光が合わさって形成された干渉光は、計測軸方向に走査した場合においてのみ光路差に変化を生じるので、他成分の影響を低減し、計測精度を向上することができる。
本発明の第1の実施の形態に係るリニアエンコーダを示す模式図。 図1のリニアエンコーダが一次元方向に位置を計測する際の原理を説明する模式図。 図1のリニアエンコーダにおいて光学ユニットと目盛部とが光軸方向に位置変化を生じた場合を示す模式図。 本発明の第2の実施の形態に係るリニアエンコーダを示す模式図。 本発明の第3の実施の形態に係るリニアエンコーダを示す模式図。 本発明の第4の実施の形態に係るリニアエンコーダを示す模式図。 図6のリニアエンコーダのY軸計測光学系を示す模式図。 図6のリニアエンコーダがX軸方向の変位を計測した際の結果を示すグラフ。 図6のリニアエンコーダがY軸方向の変位を計測した際の結果を示すグラフ。 図6のリニアエンコーダがZ軸方向の変位を計測した際の結果を示すグラフ。 図6のリニアエンコーダが搭載された多軸加工装置を示す模式図。 図11の多軸加工装置の側部断面図。
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態に係るリニアエンコーダについて説明をする。
<第1の実施の形態>
<リニアエンコーダの構成>
図1に示すように、リニアエンコーダ1は、目盛部3と、目盛部3に対向して配置されると共に、目盛部3との相対位置を変更可能に構成されたセンサヘッド(光学ユニット)2と、を備えて構成されている。このセンサヘッド2は、レーザ光を出射すると共に、上記目盛部3によって反射されたレーザ光の光強度を検出可能に構成されており、光源4、ビームスプリッタ5、光路分岐素子6及び受光素子8を有している。
上記光源4、ビームスプリッタ5、光路分岐素子6は、光源4から出射されたレーザ光がこの順番で通過するように光路上に配設されており、ビームスプリッタ5を透過したレーザ光は、光路分岐素子6によって複数のレーザ光に分割されるようになっている。具体的には、本実施の形態においては、光路分岐素子6は、回折格子によって構成されており、光源から出射された光を第1分割光L1と、第2分割光L2とに分割している。なお、光路分岐素子6として回折格子を用いた場合、その格子ピッチにより回折角を変化させることができる。また、光路分岐素子6は、ビームスプリッタあるいは結晶光学素子を用いて構成しても良い。
目盛部3は、少なくとも1方向に形状が変化する反射面7を有しており、この反射面7は、垂直に入射される第1及び第2分割光L1,L2を反射するように構成されている。具体的には、反射面7は、第1分割光L1を反射する第1傾斜平面71と、第2分割光L2を反射する第2傾斜平面72とを備えて構成されている。
上記第1及び第2傾斜平面71,72は、光路分岐素子6による分割された際に第1及び第2分割光L1,L2が有する傾き角度に応じて、これら第1及び第2分割光L1,L2が垂直に入射するように勾配が設定されている。即ち、第1傾斜平面71は、第1分割光L1が垂直に入射するように傾斜した傾斜平面であり、第2傾斜平面72は、第2分割光L2が垂直に入射するように傾斜した傾斜平面である。このため、これら第1及び第2傾斜平面(目盛部の反射面)に反射された第1及び第2分割光(反射光)は、同じ光路を戻って光路分岐素子6にて重なりあって干渉光ILを生じる。
この干渉光ILは、ビームスプリッタ5によって反射されると共に、干渉光ILの光路上に配設された上記受光素子8に入射する。受光素子8は、干渉光ILの干渉強度(光強度)を計測する素子であり、例えば、フォトダイオード、PSD(Position Sensitive Detector)、CCD(Charge Coupled Device)などがある。また、受光素子8としてCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などを使用しても良く、これらの素子はいずれも光電変換により光強度を電流に変換する。なお、本実施の形態においては、この受光素子8からの電流を電流−電圧変換回路、増幅器を介して電圧として計測している。
ついで、上記センサヘッド2と目盛部3とが反射面の形状の変化方向(図中X軸方向)に相対移動した場合について説明をする。図2に示すように、センサヘッド2がX軸方向に所定の相対変位量δxだけ走査されると、反射面7の傾き角がθであるため、第1及び第2分割光L1,L2はそれぞれ±2δx sin(θ)だけ光路長変化を生じる。この時、走査方向の光束(第1分割光)L1は光路長が短くなり、逆向きの光束(第2分割光)L2は光路長が長くなる。従って、干渉光ILの干渉強度変化(光強度変化)は数1に示す様な変化を生じる。
I’:相対移動後の干渉強度、I:オフセット項、φ:初期位相、λ:光の波長
数1に示すように、センサヘッド2と目盛部3とがX軸方向に相対変位を生じると干渉強度は、正弦波状の変化を生じる。この干渉強度変化を受光素子8で計測し、受光素子8と接続した制御部200がこの位相情報を電気分割演算すると、センサヘッド2と目盛部3との間の変位量を求めることができる。なお、上記受光素子8の検出信号に基づいて位置計測を行う制御部200は、センサヘッド2に内蔵されても良いし、センサが搭載される装置側に設けられても良い。
数1に示すように、リニアエンコーダ1は、反射面7の傾き角と格子ピッチを変更すると、sin(θ)の値が増減し、これにより分解能が変化する。このため、リニアエンコーダ1は、反射面7の傾き角を大きくし、格子ピッチを微細化することにより、sin(θ)の値を大きくし、高分解化することができる。
また、図3に示すように、センサヘッド2と目盛部3とがZ軸方向に相対変位を生じた場合、Z軸方向の相対変位量をδzとすると、2光束(第1及び第2分割光)は両方とも2δzcos(θ)の光路長変化を生じる。このため、第1及び第2分割光L1,L2の光路長変化が等しく、Z方向への相対移動によって第1及び第2分割光L1,L2の光路差に変化は生じず、干渉強度は一定となる。
更に、センサヘッド2と目盛部3とがY軸方向に相対変位を生じた場合についても、反射面7はY軸方向には形状変化を生じないため2光束の光路長に変化が生じない。そのため、Y軸方向についてもZ軸方向の場合と同様に干渉光ILの干渉強度は一定となる。つまり、干渉光ILは計測軸であるX軸方向以外の他成分の影響を受けずに、X方向にセンサヘッド2と目盛部3とが相対変位を生じた場合のみ干渉強度変化が生じる。そのため、リニアエンコーダ1は、この干渉強度変化を計測することにより、センサヘッド2と目盛部3間のX軸方向の相対変位量を、他の軸方向への移動の影響を受けることなく計測することができる。
このようにリニアエンコーダ1は、干渉光ILの干渉強度変化を計測することによって、センサヘッド2と目盛部3間の相対変位量を計測することができると共に、反射面7の傾き角を変更することによってリニアエンコーダ1の分解能を向上することができる。実際に上述した数1に示す通り、リニアエンコーダ1は、従来の高分解能エンコーダと同等以上の干渉周期を有し、同等以上の分解能性能を備えている。
また、リニアエンコーダ1は、干渉する2光束が同一空間を通過するため、気圧や温度変化等の外乱誤差の影響を打消し合い高精度に計測でき、計測精度を向上させることができる。更に、第1及び第2分割光が合わさって形成された干渉光ILは、計測軸方向に走査した場合においてのみ光路差に変化を生じるので、他成分の影響を低減し、計測精度を向上することができる。
また、リニアエンコーダ1は、光路分岐素子6に平面の回折格子を用いたことにより、分割光の分岐角を大きくすることできる。このため、反射面7の傾き角を90度に近づけることができ、高分解能化できる。
<第2の実施の形態>
ついで、本発明の第2の実施の形態に係るリニアエンコーダについて説明をする。なお、第2の実施の形態に係るリニアエンコーダは、目盛部の反射面の傾き角の設定可能な範囲を広くするために、反射部材を設けた点及び目盛部の形状において、第1の実施の形態と異なっている。そのため、第1の実施の形態と共通の部分については、その説明を省略する。
図4に示すように、リニアエンコーダ1のセンサヘッド2は、光路分岐素子6と目盛部31との間の光路上に配設された反射部材9を備えている。この反射部材9は、光路分岐素子6によって分割された光(本実施の形態においては第1及び第2分割光L1,L2)を、目盛部31の反射面に向かって垂直に反射する角度調整面91を分割光ごとに有している。
即ち、光路分岐素子6によって分割された分割光は反射面7に対して垂直に入射する必要があるため、第1の実施の形態においてはリニアエンコーダ1の分解能を決定する反射面7の傾きが、光路分岐素子6によって分割された光の持つ傾きにより決定されている。一方で、本実施の形態においては、上記反射部材の角度調整面91の反射角度を調整することによって、第1及び第2分割光L1,L2の反射面7に対する入射角度を任意の角度に調整することができるよう構成されている。従って、目盛部31の反射面の角度についても任意の角度に設定することができ、反射面7の傾斜平面71,72の角度を90度に近づけることでリニアエンコーダ1を高分解能化することができる。また、容易に分割光を反射面7に対して垂直に入射させることができる。
また、本実施の形態において目盛部31は、反射面7の形状が周期的に変化するように構成されている。具体的には、反射面7は、数2に示すように、第1傾斜平面71と第2傾斜平面72とが交互に組み合わさって三角波状に傾斜角が周期的に変化する形状となっている。
:三角波形状の振幅、λ:波長
即ち、リニアエンコーダ1は、目盛部31の反射面7が高精度に連続した形状となるので、高精度かつ長ストローク計測ができる。つまり、リニアエンコーダは、微細形状を周期形状に用いる従来のスケールと異なり、目盛部31の反射面7の傾き角を大きくし、数mmから数10mmの形状を周期的に配置することで、大面積計測を容易にできる。また、本実施の形態において、傾斜面の各傾斜平面(第1及び第2傾斜平面)の傾き角のばらつきは50arcsec以下で構成されている。そのため、反射面7の形状を周期的に配置する際に、各傾斜平面の傾き角にバラつきによって干渉光ILがヌル(干渉光が縞一色になる部分、即ち、反射光が傾斜平面に垂直に入射して正確に計測が可能な部分)から計測精度が低下することを防止することができる。
なお、実際には分割光が山の頂点を通過する際に干渉光ILにむらができ、正弦波出力の振幅が小さくなる。従って、センサヘッド2を複数用いて振幅Aと光の波長λの関係をnxλ=A/sin(θ)(nは任意整数)とするなどの受光素子8の出力補正処理することが望ましい。
また、目盛部31の反射面7の形状は、傾斜平面に分割光が垂直に入射できれば良いため、三角波形状ではなく、例えば、傾斜平面と垂直面とが組み合わさった鋸波形状等に傾斜平面を組み合わせた形状にしても良い。
<第3の実施の形態>
ついで、第3の実施の形態に係るリニアエンコーダについて説明をする。このリニアエンコーダは、X軸方向に加えて、Z軸方向にも位置計測可能なリニアエンコーダであり、Z軸方向の計測装置を有している点において第2の実施の形態と相違している。従って、第2の実施の形態と共通する部分についてはその説明を省略し、相違する部分についてのみ説明をする。
図5に示すように、本実施の形態に係るリニアエンコーダ1は、Z軸方向の位置を計測する光学系19として、マイケルソン干渉計を構成している。具体的には、リニアエンコーダ1は、センサヘッド2において、光源4とX軸方向の位置を計測する光学系18を構成する光学素子(例えばビームスプリッタ5)との間に、上記マイケルソン干渉計を構成する光学素子を配置している。即ち、リニアエンコーダ1は、光源4とビームスプリッタ5との間に、偏光ビームスプリッタ14、受光素子12、固定反射面131を有する光学素子13、1/4波長板15,16の構成を追加している。
上記偏光ビームスプリッタ14は、光源4と光路分岐素子6との間に配設され、光源4からの光を光軸方向に透過する第1光束LPと、第1光束LPと直交する方向反射される第2光束LSとに分割する第1光学素子である。このため、光源4から出射したレーザ光は、上記偏光ビームスプリッタ14によって偏光毎にS偏光成分とP偏光成分との2光束LS,LPに分けられる。
また、第2光学素子としての上記固定反射面131を有する光学素子13は、第2光束(S偏光成分の光束)LSの光路上に配設されている。このため、偏光ビームスプリッタ14により分割された第2光束LSは、固定反射面131に反射され偏光ビームスプリッタ14へと戻る。また、この時、1/4波長板16が偏光ビームスプリッタ14と固定反射面131との間に配置されているため、偏光ビームスプリッタに再入射したS偏光成分の光束はP偏光へと偏光され、偏光ビームスプリッタ14を通過する。
一方、第1光束(P偏光成分の光束)LPは、ビームスプリッタ5を通過し、光路分岐素子6としての回折格子によって、少なくとも0次光と±1次光の3光束L0〜L2に分割される。±1次光は、第2の実施の形態の第1及び第2分割光L1,L2であり、目盛部32の傾斜平面71,72に反射されて目盛部32とセンサヘッド2とのX軸方向変位を計測するためのX軸干渉光ILXを形成する。
また、本実施の形態においては、目盛部32の反射面7は、上記±1次光を反射する周期的に形状が変化する部分の他に、形状の変化を生じない一様な基準平面80を有している。0次光L0は、光路分岐素子6を透過する透過分割光であり、上記目盛部32の基準平面80に垂直に入射して反射されることにより、偏光ビームスプリッタ14へと戻る。
偏光ビームスプリッタ14と光路分岐素子6との間には1/4波長板15が配設されている。このため、反射された0次光L0は、偏光ビームスプリッタ14に入射する際にはS偏光へと偏光されており、偏光ビームスプリッタ14によって受光素子12へと反射される。そして、この偏光ビームスプリッタ14において0次光L0と固定反射面131に反射されたS偏光成分の光束LSとが重ね合わされてZ軸干渉光ILZが形成される。
上記受光素子12は、上記固定反射面131(第2光学素子)に反射されたS偏光成分の光束(第2光束)LSの光路上に配設されており、これにより、上記Z軸干渉光ILZの干渉強度を検出する透過光学系受光素子となっている。即ち、このZ軸方向の位置を計測する光学系19は、上述したように、固定反射面131が固定面、基準平面80が移動面となるマイケルソン干渉計となっている。そして、Z軸変位(光軸方向への変位)により干渉強度が変化するZ軸干渉光ILZの干渉強度を受光素子12によって検出することによって、Z軸方向の相対変位を検出することができる。
上述したように、本実施の形態に係るリニアエンコーダ1は、X軸干渉光ILXとZ軸干渉光ILZが共に計測軸以外の他成分の影響は受けずに独立した干渉光強度変化を生じる。ただし、実機においてX軸干渉光ILXとZ軸干渉光ILZの光軸が受光素子8及び受光素子12上で重なってしまうと、受光素子は混在した出力を測定してしまう。そのため各受光素子上でスポット位置をずらしてアライメントし、測定方向以外の干渉光を遮断するようになっている。この場合、リニアリティにcos誤差が生じ、数%以下の精度で理論値とずれるので、高精度計測に用いる場合はリニアリティ校正をして使用することが望ましい。
<第4の実施の形態>
ついで、第4の実施の形態に係るリニアエンコーダについて説明をする。この第4の実施の形態に係るリニアエンコーダは、XYZの直交3軸方向の位置計測が可能であり、第3の実施の形態に対してY軸方向についても位置計測可能である点において相違している。従って、以下の説明において第3の実施の形態と共通する部分については、その説明を省略し、異なる部分についてのみ説明をする。
本実施の形態に係るリニアエンコーダ1は、図6に示すように、X軸及びZ軸以外にもY軸方向に位置計測可能に構成されており、X軸計測光学系18をZ軸回りに90°回転させたY軸計測光学系20を備えて構成されている。具体的には、Y軸計測光学系のみを抜き出して示した図7に示すように、Y軸計測光学系20は、センサヘッド2に光源4、ビームスプリッタ23、光路分岐素子61、Y軸計測光学系受光素子21及び反射部材9を備えている。本実施の形態において、上記光路分岐素子61は、センサヘッド2のコンパクト化のため、直交方向に複数の格子を有する2次元回折格子によって構成されている。このため、上記光路分岐素子61は、光源4からの光をX軸方向の計測用の第1及び第2分割光L1,L2の他に、Z軸方向計測用の透過分割光L0、Y軸方向計測用の第3及び第4分割光L3,L4に分割している。
上記第3及び第4分割光L3,L4は、第1及び第2分割光が分割された第1方向(X軸方向)と交差する第2方向(Y軸方向)に分割されており、目盛部33もこれら第3及び第4に合せて反射面7を形成している。
詳しくは、図6及び図7に示すように、目盛部33は、第1及び第2分割光L1,L2を反射する第1方向反射面7Xと、第3及び第4分割光L3,L4を反射する第2方向反射面7Yと、透過分割光L0を反射する基準平面とを備えている。上記第1方向反射面7Xは、上述した第1傾斜平面71と第2傾斜平面とを有して構成されている。また、第2方向反射面7Yも同様に、第3分割光L3が垂直に入射する第3傾斜平面73と第4分割光L4が垂直に入射する第4傾斜平面74を有して構成されている。
即ち、上記第1方向反射面7Xは、第1及び第2傾斜平面71,72を組み合わせて第1方向に、第2方向反射面は、第3及び第4傾斜平面73,74を組み合わせて第2方向に形状が周期的に変化するように構成されている。なお、反射面7の面積は各軸の計測レンジだけでなく、Zストロークによって定まるので、リニアエンコーダ1は、装置上最も短いストロークを計測上のZ軸にすることが望ましい。
このように目盛部33が構成されたため、第2方向反射面7Yに反射された第3及び第4分割光L3,L4は、光路分岐素子61に重ね合わさって干渉光ILYとなり、この干渉光ILYの干渉強度変化を受光素子21により検出することができる。即ち、リニアエンコーダ1は、X軸及びZ軸方向に加えて、光学ユニット2と目盛部33とのY軸方向(第2方向)への相対移動によって生じる干渉光ILYの干渉強度変化を検出して、Y軸方向の光学ユニット2と目盛部33との相対変位も計測できる。
実際にステージをXY軸方向に同時に走査した際の計測結果を図8(X軸)及び図9(Y軸)に示す。図8及び図9では各軸の変位計測結果と参照用変位センサとの偏差を評価している。XY各軸とも誤差は参照用変位計の仕様以内となり、他成分の影響をほぼ受けずに計測できていることが分かる。
同様にZ軸走査した際のX軸用の受光素子8とZ軸用の受光素子12の出力結果を図10に示す。図10ではZ軸がほぼ理論値の周期で干渉強度変化を生じている。さらに、ステージのX軸方向他成分測定した参照用変位センサと、X軸の計測結果がほぼ一致しており、他成分に関する計測誤差が十分に少ないことが分かる。Y方向の出力も同様の結果が得られている。以上より、本実施形態では1つのセンサヘッドと目盛部33でXYZの3軸を高精度に計測できることが分かった。
<第5の実施の形態>
ついで、本発明の第5の実施の形態について説明をする。本実施の形態では、第4の実施の形態のリニアエンコーダを多軸加工装置に搭載しており、このリニアエンコーダの構成については、その説明を省略する。なお、以下の説明において、XYZ軸の方向は、リニアエンコーダの目盛部を基準として設定する。
図11及び図12に示すように、多軸加工装置100は、工具111をXYZ軸の3軸方向に移動可能に設けられていると共に、Y軸回りに回転できるように構成された4軸加工装置である。そしてこの多軸加工装置100は、工具111を保持する工具保持部110と、工具111によって加工するワークを保持するワーク保持部120と、から構成されている。
上記ワーク保持部120は、ワークWがその先端に取り付けられる回転軸124と、この回転軸124及びワークフレーム121を支持する支持フレーム122,123と、を備えている。支持フレーム122,123は、ワークフレーム121の両端部を支持する一対の脚部122とこれら脚部の間をつなぐ壁部123とによって、平面視略コ字形状に形成されている。そして、これらワークフレーム121及び支持フレーム122,123によって形成される凹部に、上記工具保持部110が嵌り込むように配設され、回転軸124の先端のワークWと、工具111と、が対向するようになっている。
一方、工具111を保持する工具保持部110は、該工具111の位置をXYZθの4軸方向に制御するように構成されている。具体的には、XYZの3軸方向に駆動する工具ステージ113,114,115と、θ軸周りに回転割り出しを行う回転ステージ112と、を有している。
上記工具ステージ113,114,115は、Y軸方向に昇降するY軸ステージ115と、Y軸ステージ上でX軸方向に移動自在なX軸ステージ114と、X軸ステージ上でZ軸方向に移動自在なZ軸ステージ113から構成されている。また、回転ステージ112は、Z軸ステージ113上でY軸回りに回転自在に構成されており、工具111は、回転ステージ112上に設けられた工具ホルダ116に取付けられるようになっている。
また、多軸加工装置100は、ワークWと工具111との相対位置関係を検出するために、リニアエンコーダ1を備えている。リニアエンコーダ1の目盛部33は地面に対して垂直な平面である壁部123に取付けられ、センサヘッド2は工具111に最も近い直動移動体であるZ軸ステージ113に取付けられており、工具111のXYZ軸方向位置を検出している。また、多軸加工装置100は、リニアエンコーダ1の他に、工具111の回転角を検出する回転角度センサ(不図示)を有している。
多軸加工装置100は高速回転するワークWを工具111で軸対称非球面切削加工を行う。加工時において、多軸加工装置100は、回転センサからの検出信号に基づいて工具111の回転位置を検知する。また、リニアエンコーダ1のセンサヘッド2によって、工具保持部側からワーク保持部側の目盛部33に向かって複数の回折光を出射し、ワーク保持部側から工具保持部側へと反射された回折光が合わさって生じる干渉光の干渉強度を計測している。そのため、多軸加工装置100は、工具保持部110とワーク保持部120との間の位置関係がXYZ軸のいずれかの方向に相対移動すると、上記干渉光の干渉強度変化に基づいて、工具保持部110及びワーク保持部の相対位置変化を計測する(計測工程)。
そして、上記リニアエンコーダ1及び回転角度センサを用いた計測工程においける計測結果に基づいて、工具111とワークWとの相対位置関係をフィードバック制御する。即ち、工具保持部110の工具ステージ及びワーク保持部120のワークステージの相対位置を補正して、上記工具111とワークWとの相対位置関係を補正する(補正工程)。
工具保持部110は、回転軸124が回転する際の振動が伝達されないように、ワーク保持部120とは非連結となっている。さらに工具保持部110とワーク保持部120はそれぞれ除振台などによって高周波振動が絶縁されている。多軸加工装置100は、高周波振動を絶縁することでリニアエンコーダ1を用いた制御帯域より高域の振動による位置誤差を低減している。また、逆に除振台で低減できない数Hz以下の低周波振動は、リニアエンコーダ1を用いたフィードバック制御により位置制御を行う。
このように、本実施の形態では、上記リニアエンコーダ1を用いることにより、加工点の近傍で工具とワークの相対変位を計測することができ、位置決め誤差を低減させ、加工精度を向上できる。また、本実施の形態の多軸加工装置100は、計測点から工具及びワーク側の環境を制御すれば良い。このため、従来の装置全体の環境を制御することでフレーム全体の歪みによる加工点誤差を低減していた精密加工機とは異なり、外乱の影響が少なく、加工精度を向上させることができる。
なお、本実施の形態においては、上記工具保持部110とワーク保持部120とは、ワークと工具との位置関係を4軸方向に相対移動可能に構成されているが、必ずしも4軸方向である必要はなく、少なくとも1軸方向に相対移動可能であれば良い。また、センサヘッド(光学ユニット)2は、工具保持部110とワーク保持部120のいずれか一方に配設されていれば良く、目盛部33は、工具保持部110及びワーク保持部120のいずれか他方に配設されれば良い。即ち、工具保持部110及びワーク保持部120の一方側から他方側に向かって複数の回折光を出射し、これら工具保持部110及びワーク保持部120の他方側から一方側に反射された回折光が合わさって生じる干渉光の干渉強度変化を計測出来れば良い。
また、リニアエンコーダ1は、多軸加工装置以外にも、2つ以上の物体が相対移動するものであればどのような加工装置に対しても搭載することができる。更に、相対移動が生じるものであれば加工装置以外のどのようなものに対して取り付けられても良い。
また、上記第1乃至5の実施の形態に係るリニアエンコーダは、センサヘッドに設けられた光路分岐素子によって複数の分割光を形成していたが、例えば、目盛部に一様な参照面及び周期的に形状の変化する反射面を形成しても良い。即ち、上記参照面によって反射された光と、反射面に反射された光によって干渉光を形成し、この干渉強度を計測することによって2物体の相対変位を計測しても良い。
更に、上記第1乃至第5に記載の発明は、どのように組み合わされても良く、XYZの軸方向は、リニアエンコーダの計測対象に応じて、どのように設定しても良い。
1:リニアエンコーダ、2:光学ユニット、3,31,32,33:目盛部、4:光源、6:光路分岐素子、7:反射面、L1:第1分割光、L2:第2分割光、IL:干渉光、8:受光素子

Claims (9)

  1. 反射面を有する目盛部と、
    前記目盛部に対向して配置されると共に、前記目盛部との相対位置を変更可能に構成された光学ユニットとを備え、
    前記光学ユニットは、
    光源と、
    前記光源から出射された光を少なくとも第1分割光と第2分割光とに分割する光路分岐素子と、
    前記目盛部の反射面により反射された前記第1及び第2分割光が合わさって形成された干渉光の光路上に配設され、前記光学ユニットと前記目盛部との前記反射面の形状の変化方向への相対移動により生じる前記干渉光の干渉強度変化を検出可能な受光素子と、を備えた、
    ことを特徴とするリニアエンコーダ。
  2. 前記目盛部は、傾斜平面を用いて周期的に形状が変化するように前記反射面を形成した、
    請求項1記載のリニアエンコーダ。
  3. 前記傾斜平面の傾きのばらつきは、50arcsec以下である、
    請求項2記載のリニアエンコーダ。
  4. 前記光路分岐素子と前記目盛部との間の光路上に配設され、前記光路分岐素子によって分割された光を前記目盛部の反射面に向かって垂直に反射する角度調整面を有する反射部材を備えた、
    請求項1乃至3のいずれか1項記載のリニアエンコーダ。
  5. 前記光路分岐素子は、前記光源から出射された光を、前記第1及び第2分割光の他に、これら第1及び第2分割光が分割された第1方向と交差する第2方向に分割された第3及び第4分割光にも分割し、
    前記目盛部の反射面は、前記第1分割光が垂直に入射する第1傾斜平面と前記第2分割光が垂直に入射する第2傾斜平面とを有して構成された第1方向反射面と、前記第3分割光が垂直に入射する第3傾斜平面と前記第4分割光が垂直に入射する第4傾斜平面を有する第2方向反射面と、を備え、
    前記光学ユニットと前記目盛部との前記第2方向への相対移動によって生じる、前記第2方向反射面に反射された第3及び第4分割光が合わさって形成された干渉光の干渉強度変化を検出可能に構成された、
    請求項1乃至4のいずれか1項記載のリニアエンコーダ。
  6. 前記光路分岐素子は、直交方向に複数の格子を有する2次元回折格子である、
    請求項5記載のリニアエンコーダ。
  7. 前記光源と前記光路分岐素子との間に配設され、前記光源からの光を光軸方向に透過する第1光束と、前記第1光束と直交する方向に反射される第2光束とに分割する第1光学素子と、
    前記第2光束の光路上に配設され、この第2光束を反射する第2光学素子と、
    前記第2光学素子によって反射された前記第2光束の光路上に配設された透過光学系受光素子と、を備え、
    前記光路分岐素子は、前記第1光束を、前記第1及び第2分割光の他に、この光路分岐素子を透過する透過分割光に分割し、
    前記目盛部は、前記透過分割光を反射する一様な基準平面を有し、
    前記透過光学系受光素子は、前記光学ユニットと前記目盛部との前記光軸方向への相対移動によって生じる、前記基準平面に反射された前記透過分割光と前記第2光学素子に反射された前記第2光束とが合わさって形成された干渉光の干渉強度変化を検出可能である、
    請求項1乃至6のいずれか1項記載のリニアエンコーダ。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項記載のリニアエンコーダと、
    工具を保持する工具保持部と、
    前記工具によって加工されるワークを保持するワーク保持部と、を備え、
    前記工具保持部及びワーク保持部は、前記ワークと工具との位置関係を少なくとも1軸方向に相対移動可能に構成され、
    前記リニアエンコーダの前記光学ユニットは、前記工具保持部及びワーク保持部のいずれか一方に配設され、
    前記リニアエンコーダの目盛部は、前記工具保持部及びワーク保持部のいずれか他方に配設された、
    ことを特徴とする加工装置。
  9. 工具を保持する工具保持部とワークを保持するワーク保持部との位置関係を、少なくとも1軸方向に相対移動させて前記工具により前記ワークを加工するワークの加工方法において、
    前記工具を保持する工具保持部及び前記ワークを保持するワーク保持部の一方側に設けられた光学ユニットから他方側に向かって複数の回折光を出射し、前記工具保持部及びワーク保持部の他方側に設けられた目盛部によって一方側に反射された前記回折光が合わさって生じる干渉光の干渉強度変化に基づいて、前記工具及びワークの相対位置変化を計測する計測工程と、
    前記計測工程における計測結果に基づいて、前記工具保持部及びワーク保持部の相対位置を補正する補正工程と、を備えた、
    ことを特徴とするワークの加工方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016130728A (ja) * 2015-01-13 2016-07-21 ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツングDr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mit Beschrankter Haftung 光学式位置測定装置
CN108731711A (zh) * 2017-04-25 2018-11-02 精工爱普生株式会社 编码器、打印机及机器人

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